透视Linux内核层级：从山顶远眺

你们都晓得源理君好多期的文章都是关于Linux内核的功能，本着公众号的原则，只讲原理，将复杂的代码转换为浅显易懂的文字，图片。最后呈现给你们。可以源理君始终没有从大框架上系统的给诸位梳理Linux内核体系结构。那本文就一个目的，站在山顶向上看。

Linux系统的层次框架

从图中我们可以分为两个层次：

用户空间内核空间

在最下层是用户空间，也就是运行应用程序。用户空间的上层就是常常使用的gblic库linux内存管理，它的作用就是封装系统调用插口。不使用gblic库，而大量的直接使用系统调用插口是十分不明智的选择。用户空间运行的进程，她们各自拥有独立的虚拟地址空间，而内核则有单独的地址空间。

上层就是内核空间了。Linux内核空间又分为了三层：

系统调用层；它是属于最下层，它提供了用户空间和内核空间通讯的形式。Linux内核：应当愈发准确的说是独立于体系结构的内核代码，这种通用的代码适用于任何体系结构。依赖体系结构的代码：这部份我们一般称之为BSP，这种代码主要是为了兼容不同平台或则处理器而引入的。

Linux内核实现了好多重要的体系结构属性。在或高或低的层次上，内核被界定为多个子系统。Linux也可以看作是一个整体，由于它会将所有那些基本服务都集成到内核中。这与微内核的体系结构不同，前者会提供一些基本的服务，比如通讯、I/O、内存和进程管理，更具体的服务都是插入到微内核层中的。每种内核都有自己的优点linux命令行，不过这儿并不对此进行讨论。

随着时间的流逝，Linux内核在显存和CPU使用方面具有较高的效率，而且十分稳定。并且对于Linux来说，最为有趣的是在这些大小和复杂性的前提下，仍然具有良好的可移植性。Linux编译后可在大量处理器和具有不同体系结构约束和需求的平台上运行。一个反例是Linux可以在一个具有显存管理单元（MMU）的处理器上运行，也可以在这些不提供MMU的处理器上运行。Linux内核的uClinux移植提供了对非MMU的支持。

Linux内核体系结构

Linux内核的主要组件有：

系统调用插口进程管理显存管理虚拟文件系统网路堆栈设备驱动程序、硬件构架的相关代码。

（1）系统调用插口

系统调用层提供了个别机制执行从用户空间到内核的函数调用。它是依赖真个体系结构的。在这一层提供多路复用和多路分解服务。

（2）进程管理

进程管理的核心就是进程的调度。在Linux内核中，进程调度的单元是进程，线程对与调度来说相当于进程概念。内核通过系统调用提供了应用程序编程插口。诸如：创建新进程（fork，exec），结束进程（kill，exit），而且提供了控制进程linux内核移植步骤，同步进程和进程间通讯的插口。

进程管理还包括处理活跃进程之间共享CPU的需求。内核使用的是CFS完全公正调度器，在我之前文章《Linux完全公正调度器CFS》有详尽阐释。

（3）显存管理

内核所管理的另外一个重要资源是显存。源理君的另一篇文章《搞懂Linux显存管理，仅此一篇》有详尽讲解Linux显存管理。为了提升效率，引入了虚拟显存的概念，显存是根据所谓的显存页形式进行管理的（通常一个显存页大小4KB和8KB，绝大部份为4KB）。Linux除了管理可用显存的方法，以及数学和虚拟映射所使用的硬件机制。不过显存管理要管理的可不止4KB缓冲区。Linux提供了对4KB缓冲区的具象，比如slab分配器。这些显存管理模式使用4KB缓冲区为基数，之后从中分配结构，并跟踪显存页使用情况，例如什么显存页是满的，什么页面没有完全使用，什么页面为空。这样就容许该模式依据系统须要来动态调整显存使用。为了支持多个用户使用显存，有时会出现可用显存被消耗光的情况。因为这个缘由，页面可以移出显存并放入c盘中。这个过程称为交换，由于页面会被从显存交换到硬碟上。显存管理的源代码可以在./linux/mm中找到。

（4）虚拟文件系统

虚拟文件系统（VFS）是Linux内核中十分有用的一个方面，由于它为文件系统提供了一个通用的插口具象。VFS在系统调用和内核所支持的文件系统之间提供了一个屏蔽层。如右图所示：

在VFS里面，是对诸如open、close、read和write之类的函数的一个通用API具象。在VFS下边是文件系统具象，它定义了下层函数的实现方法。它们是给定文件系统（超过50个）的插件。文件系统的源代码可以在./linux/fs中找到。文件系统层之下是缓冲区缓存，它为文件系统层提供了一个通用函数集（与具体文件系统无关）。这个缓存层通过将数据保留一段时间（或则随后预先读取数据便于在须要是就可用）优化了对化学设备的访问。缓冲区缓存之下是设备驱动程序，它实现了特定化学设备的插口。

（5）网路合同栈

网路合同栈在设计上依循模拟合同本身的分层体系结构。回想一下linux内核移植步骤，InternetProtocol(IP)是传输合同（一般称为传输控制合同或TCP）下边的核心网路层合同。TCP里面是socket层，它是通过系统调用层进行调用的。socket层是网路子系统的标准API，它为各类网路合同提供了一个用户插口。从原始帧访问到IP合同数据单元（PDU），再到TCP和UserDatagramProtocol(UDP)，socket层提供了一种标准化的方式来管理联接，并在各个终点之间联通数据。内核中网路源代码可以在./linux/net中找到。

（6）设备驱动程序

Linux内核中有大量代码都在设备驱动程序中，它们就能运转特定的硬件设备。Linux源码树提供了一个驱动程序子目录，这个目录又进一步界定为各类支持设备，比如Bluetooth、I2C、serial等。设备驱动程序的代码可以在./linux/drivers中找到。

（7）依赖体系结构的代码

虽然Linux很大程度上独立于所运行的体系结构，并且有些元素则必须考虑体系结构能够正常操作并实现更高效率。./linux/arch子目录定义了内核源代码中依赖于体系结构的部份，其中包含了各类特定于体系结构的子目录（共同组成了BSP）。对于一个典型的桌面系统来说，使用的是x86目录。每位体系结构子目录都包含了好多其他子目录，每位子目录都关注内核中的一个特定方面，比如引导、内核、内存管理等。这种依赖体系结构的代码可以在./linux/arch中找到。

Linux还是一个动态内核，支持动态添加或删掉软件组件。被称为动态可加载内核模块，它们可以在引导时按照须要（当前特定设备须要这个模块）或在任何时侯由用户插入。

参考

源理君参考了这篇文章

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